站立和步行狀態(tài)下足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

曲明亮，張志強(qiáng)，孫巍偉，于 恒，馮澤銳

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

監(jiān)測和分析足底壓力的分布特點(diǎn)在康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動、鞋墊及鞋子制造等方面有著極其重要的意義[1-4]。近幾年，國外足底壓力測量技術(shù)發(fā)展迅速。美國Tekscan公司的F-Scan足底壓力測量系統(tǒng)[5]，在內(nèi)置式的鞋墊內(nèi)布置密集的傳感器點(diǎn)位，能夠?qū)\(yùn)動時的足底壓力進(jìn)行采集。比利時RScan公司的Foot-scan足底壓力測量系統(tǒng)[6]，采用足壓測量步道進(jìn)行步態(tài)分析。除此之外，瑞士奇石樂公司的測力臺、德國NOVEL公司Pedar[7]鞋墊系統(tǒng)等都是具有代表性的足底壓力監(jiān)測設(shè)備。國內(nèi)雖然對于足底壓力的測量研究起步較晚，但目前也取得了重要成果。李攀等[8]研發(fā)的便攜式壓力測量裝置，使用較少的壓力敏感點(diǎn)對足底壓力分布進(jìn)行研究。王墨等[9]研發(fā)的平臺式傳感器，能夠?qū)ψ愕椎膲毫ψ兓M(jìn)行采集和顯示。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)足底壓力設(shè)備主要分為內(nèi)置式系統(tǒng)和平臺式系統(tǒng)。平臺式系統(tǒng)無法穿戴，攜帶不便，因此不適用于長距離步行測量。鞋墊內(nèi)置式系統(tǒng)可以穿戴，但是許多設(shè)備鞋內(nèi)空間布局不合理，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞；此外，壓力采集點(diǎn)位布置不盡合理，不能較好地得到足底關(guān)鍵點(diǎn)位的壓力特點(diǎn)。

為彌補(bǔ)上述缺陷，本文設(shè)計一種針對人體站立和步行狀態(tài)的足底壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過布置合理的薄膜壓力感應(yīng)點(diǎn)位，采集左右腳足底數(shù)據(jù)，并對左右腳足底不同位置的壓力情況進(jìn)行直觀展現(xiàn)，為后續(xù)基于足底壓力的研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)協(xié)同工作，完成足底壓力數(shù)據(jù)采集與顯示。系統(tǒng)組成如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括左腳數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和右腳數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。左右腳的硬件電路和鞋底結(jié)構(gòu)相同，且數(shù)據(jù)采集互不干涉。利用薄膜壓力傳感器感應(yīng)足底壓力變化，將電信號傳輸給主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)分別通過各自的藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)軟件。

數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的藍(lán)牙連接模塊用于掃描連接左右腳的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，控制測量模塊用于發(fā)送站立和步行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集指令，實時顯示模塊用于顯示每次的采集數(shù)據(jù)，歷史記錄模塊用于查看和比對歷史測量的結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 壓力傳感器選型及布局

足底壓力傳感器采用薄膜壓力傳感器，該傳感器為電阻式傳感器，輸出電阻隨施加于傳感器表面壓力的增大而減小。本款傳感器外形為41碼鞋墊形狀，單腳傳感器布置8個壓力敏感點(diǎn)，每個敏感點(diǎn)最大量程10 kg，響應(yīng)時間小于1 ms，恢復(fù)時間小于15 ms，響應(yīng)點(diǎn)為400 g(薄膜壓力傳感器受到的壓力大于400 g才會產(chǎn)生電阻變化)。

根據(jù)正常人足底壓力的分布情況[10-11]，本系統(tǒng)壓力敏感點(diǎn)布局如圖2所示。

左右腳傳感器的布置完全對稱，敏感點(diǎn)1位于大拇趾區(qū)，敏感點(diǎn)2位于第二和第三跖骨區(qū)，敏感點(diǎn)3位于第一跖骨區(qū)，敏感點(diǎn)4位于第四和第五跖骨區(qū)，敏感點(diǎn)5位于足弓前側(cè)邊緣，敏感點(diǎn)6位于外側(cè)足跟區(qū)，敏感點(diǎn)7位于內(nèi)側(cè)足跟區(qū)，敏感點(diǎn)8位于內(nèi)外側(cè)足跟交匯區(qū)。上述點(diǎn)位的壓力變化較明顯，有較高的分析價值。

2.2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1電路設(shè)計

基于STM32F103RCT6最小系統(tǒng)來設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路，如圖3所示。

其中，HC-08藍(lán)牙模塊為基于低功耗藍(lán)牙規(guī)范4.0的數(shù)傳模塊，透傳能力和穩(wěn)定性較好。硬件系統(tǒng)集成了MPU6050陀螺儀模塊，通過MPU6050反饋的角度信息，配合薄膜壓力傳感器的電信號，實現(xiàn)對步行過程中特定步態(tài)周期的壓力采集。

如圖4所示，薄膜壓力傳感器采用電阻分壓電路結(jié)構(gòu)。

圖4中pressure sensor為傳感器的連接端，6號和10號為接地端，1～5號和7～9號接口分別對應(yīng)傳感器的1～8點(diǎn)位。8個敏感點(diǎn)的電壓變化通過Vout1～Vout8反饋到 STM32F103芯片的ADC管腳，從而獲取敏感點(diǎn)的電壓值變化。

電阻分壓電路中，任一敏感點(diǎn)電壓值為

(1)

式中：U0為電路的電源電壓，為3.3 V；ri為敏感點(diǎn)的電阻值，i取值對應(yīng)敏感點(diǎn)1～8；R為與敏感點(diǎn)串聯(lián)的電阻阻值，為10 kΩ。

由式(1)可以看出，通過電壓值Ui可以得到敏感點(diǎn)受壓后的電阻值ri，再通過標(biāo)定傳感器的壓力和電阻關(guān)系計算出壓力值。但本設(shè)計的目的是為了分析足底壓力的變化，因此，本設(shè)計使用電壓值來表征足底壓力的變化，不涉及電阻值與壓力值的轉(zhuǎn)化，這樣有利于減少中間誤差。

2.2.2 鞋底結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路完全嵌入鞋內(nèi)空間，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從圖5中可以看出，薄膜壓力傳感器與電路板之間通過軟排線連接，電路板和電池嵌入鞋底結(jié)構(gòu)中。此外，足弓中間靠后的位置容易彎曲，長時間穿戴會對電路板和電池造成損傷，所以在防護(hù)盒的上側(cè)安裝防護(hù)板，減輕彎曲帶來的影響。整體結(jié)構(gòu)經(jīng)過體重在90 kg及以下的使用者穿戴測試，并未出現(xiàn)電路板損壞的情況，基本上滿足正常體重人群的測試使用。

2.3 數(shù)據(jù)采集程序原理

2.3.1 自然站立狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集

通過手機(jī)觸發(fā)站立測量功能。測量中，以25 ms的間隔采集傳感器8個敏感點(diǎn)的電壓值，程序中設(shè)定每只腳采集400次，大約需10 s完成測量。對400次的測量結(jié)果取平均值，通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端。

2.3.2 自然步行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集

通過手機(jī)觸發(fā)步行測量功能，被測用戶以自然步速行走。設(shè)備接收測量指令5 s后開始采集，等待5 s是為了消除起步時間影響。5 s后，當(dāng)陀螺儀模塊檢測前后方向與地面處于-5～+5°之間，且壓力傳感器的前足和后足敏感點(diǎn)都感受到壓力時，以25 ms的間隔不斷采集8個敏感點(diǎn)的電壓值。本程序設(shè)定每只腳的總采集次數(shù)到達(dá)2 000次，則表示步行狀態(tài)采集完成。

需要說明的是，滿足采集條件，稱為處于采集周期，不滿足采集條件，稱為處于間歇周期。因為每個人步速的差異，處于采集周期的時間長短不同，因此，采集周期內(nèi)敏感點(diǎn)采樣次數(shù)也不同，每個人完成步行測量所走的步數(shù)也不相同。

此外，站立和步行的采集間隔設(shè)置為25 ms，是因為薄膜壓力傳感器的恢復(fù)時間小于15 ms，使用25 ms作為采集間隔可以避開恢復(fù)時間的影響。

3 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)設(shè)計

顯示系統(tǒng)是基于Android Studio開發(fā)的安卓App，軟件可以運(yùn)行在Android 4.3及以上版本的手機(jī)中。

3.1 藍(lán)牙數(shù)據(jù)包格式

為確保App端接收數(shù)據(jù)的正確性，對藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式進(jìn)行自定義，如表1所示。

表1 藍(lán)牙數(shù)據(jù)包格式

表1中，數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾是為了確定數(shù)據(jù)的發(fā)送來源和數(shù)據(jù)長度。標(biāo)志位用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來源于右腳或左腳。校驗碼用于確認(rèn)從數(shù)據(jù)頭至數(shù)據(jù)尾的數(shù)據(jù)是否正確，在數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端都使用累加和校驗算法進(jìn)行校驗。以左腳數(shù)據(jù)“FEEE1424092 B0F400B3D1A440951085D09150D0A45”為例，末尾的“45”為校驗碼，計算過程為

(FE+EE+14+…+15+0D+0A)%FF=45

(2)

即：數(shù)據(jù)頭至數(shù)據(jù)尾每兩位組成的16進(jìn)制數(shù)累加，然后對FF取余數(shù)獲得校驗碼的值。如果在發(fā)送端和接收端所計算的校驗碼一致，則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收正確。

傳感器數(shù)據(jù)占據(jù)第3位至第18位，每2個數(shù)為一組，一共8組，分別代表8個敏感點(diǎn)。如表1中所示，相鄰的單個“##”和“**”代表一個敏感點(diǎn)的電壓值。以右腳數(shù)據(jù)“FEFE1325085C0E200B23180E 0917090B082F0D0A9F”為例，敏感點(diǎn)1的數(shù)值為“1325”，即##=13，**=25。0x13和0x25轉(zhuǎn)成10進(jìn)制整數(shù)分別為19和37，則敏感點(diǎn)1的電壓值為19×100+37=1 937 mV。設(shè)備發(fā)送端在發(fā)送1.937 V時，首先將1.937 V轉(zhuǎn)為1 937 mV，并將“1937”分成 “19”和 “37”，然后將其轉(zhuǎn)化成16進(jìn)制的“13”和“25”后進(jìn)行傳輸。

3.2 移動端軟件設(shè)計

移動端軟件的功能界面主要包括用戶信息界面、控制測量界面、實時顯示界面和歷史記錄界面。其中，用戶信息界面和控制測量界面如圖6所示。

使用者通過藍(lán)牙連接采集設(shè)備，之后可以選擇站立或者步行測量，觸發(fā)測量后，等待測量完成。然后，軟件系統(tǒng)接收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)，處理后填充到實時顯示界面，并且刷新歷史記錄界面。

4 系統(tǒng)測試

4.1 實物樣機(jī)準(zhǔn)備

圖7(a)為左腳電路單元結(jié)構(gòu)，圖7(b)為足底壓力監(jiān)測智能鞋。測試過程中傳感器與鞋底貼合緊密，各項元器件符合使用場景要求，未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

4.2 測試效果

本次測試的受測者，體重73 kg，身高175 cm，足弓正常。

從圖8可以看出，16個文本框內(nèi)顯示足底16個敏感點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)，并且文本框的位置與足底敏感點(diǎn)位置相一致，便于觀察不同敏感點(diǎn)的數(shù)值。如果是站立測量，則界面的“站立”字體黃色背景高亮，如圖8(a)所示。如果是步行測量，則界面的“步行”字體黃色背景高亮，如圖8(b)所示。

圖9為數(shù)據(jù)歷史記錄界面。站立和步行數(shù)據(jù)歷史記錄為折線趨勢圖的展示形式，折線圖縱坐標(biāo)單位為V(電壓單位)，橫坐標(biāo)表示第幾次測量，點(diǎn)擊折線圖節(jié)點(diǎn)會提示測量日期、時間和具體數(shù)值，頁面支持滾動便于查看多個圖表。站立和步行的歷史記錄界面分別有8個折線圖表，左右腳對應(yīng)位置的敏感點(diǎn)處于同一個折線圖中，這樣便于觀察左右腳8對敏感點(diǎn)的壓力差異情況。此外，兩個折線圖之間也可以通過縱坐標(biāo)數(shù)值進(jìn)行比較。

5 結(jié)束語

為監(jiān)測足底壓力的變化情況，設(shè)計了一種站立和步行狀態(tài)下足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：1)實現(xiàn)對站立和步行狀態(tài)下足底壓力的雙模式監(jiān)測；2)采集設(shè)備嵌入鞋內(nèi)，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測試，且攜帶方便；3)以趨勢圖直觀展示足底多個點(diǎn)位的壓力變化情況，便于對足底同一點(diǎn)位分析變化趨勢，也便于對不同點(diǎn)位壓力趨勢進(jìn)行對比分析。

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)各功能運(yùn)行穩(wěn)定，可為后續(xù)開展足部壓力研究和足部相關(guān)疾病診斷提供數(shù)據(jù)支持。